Diseño de un alternador de flujo conmutado para generación ...
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CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDOR DC- DC DAVID FERNANDO JÁCOME MINORTA LAURA GISELA NAVARRO MINORTA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES BUCARAMANGA 2013
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CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDOR DC-
DC
DAVID FERNANDO JÁCOME MINORTA
LAURA GISELA NAVARRO MINORTA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE
TELECOMUNICACIONES
BUCARAMANGA
2013
CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDOR DC-
DC
DAVID FERNANDO JÁCOME MINORTA
LAURA GISELA NAVARRO MINORTA
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
ingeniero electrónico
Director
RICARDO ALZATE CASTAÑO, PhD
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE
TELECOMUNICACIONES
BUCARAMANGA
2013
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ENTREGA DE TRABAJOS DE GRADO, TRABAJOS DE
INVESTIGACION O TESIS Y AUTORIZACIÓN DE SU USO A
FAVOR DE LA UIS
Yo, David Fernando Jácome Minorta, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cédula de Ciudadanía No. 1.091.656.228 de Ocaña, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigación, o de la tesis denominada(o): CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDO DC-DC; hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrónico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los términos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisión Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y demás normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproducción, comunicación pública, transformación y distribución (alquiler, préstamo público e importación) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARÁGRAFO: La presente autorización se hace extensiva no sólo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino también para formato virtual, electrónico, digital, óptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer. EL AUTOR – ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorización es original y la realizó sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autoría y detenta la titularidad sobre la misma. PARÁGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamación o acción por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestión, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumirá toda la responsabilidad, y saldrá en defensa de los derechos aquí autorizados; para todos los efectos la Universidad actúa como un tercero de buena fe. Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 27 días del mes de Agosto de Dos Mil Trece (2013). EL AUTOR / ESTUDIANTE:
David Fernando Jácome Minorta C.C 1.091.656.228 de Ocaña.
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ENTREGA DE TRABAJOS DE GRADO, TRABAJOS DE
INVESTIGACION O TESIS Y AUTORIZACIÓN DE SU USO A
FAVOR DE LA UIS
Yo, Laura Gisela Navarro Minorta, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cédula de Ciudadanía No. 1.091.664.928 de Ocaña, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigación, o de la tesis denominada(o): CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDO DC-DC; hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrónico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los términos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisión Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y demás normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproducción, comunicación pública, transformación y distribución (alquiler, préstamo público e importación) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARÁGRAFO: La presente autorización se hace extensiva no sólo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino también para formato virtual, electrónico, digital, óptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer. EL AUTOR – ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorización es original y la realizó sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autoría y detenta la titularidad sobre la misma. PARÁGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamación o acción por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestión, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumirá toda la responsabilidad, y saldrá en defensa de los derechos aquí autorizados; para todos los efectos la Universidad actúa como un tercero de buena fe. Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 27 días del mes de Agosto de Dos Mil Trece (2013). EL AUTOR / ESTUDIANTE:
Laura Gisela Navarro Minorta C.C 1.091.664.928 de Ocaña.
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A mi mamá por ofrecerme lo mejor a su alcance, su cariño y por estar siempre
dispuesta a escucharme y a ayudarme.
A mis hermanos por los momentos compartidos y su apoyo incondicional.
A mi familia por estar en los buenos y malos momentos.
David Fernando Jácome Minorta.
8
A Dios por todas sus bendiciones y por ser mi guía siempre.
A mis papás por su apoyo incondicional, su esfuerzo incansable y su amor
inagotable, son la razón de mi vida.
A mi segunda mamá “Tiuchis” por todo su cariño y por brindarme siempre una voz
de aliento.
A mi hermano y a la “Peque” por su cariño incondicional. A mi familia por ser el
pilar de mi existencia y la razón de muchas alegrías y momentos inolvidables.
A Erwin López por ser mi confidente y estar conmigo en las buenas y en las
malas, por ofrecerme tanto amor y felicidad.
Laura Gisela Navarro Minorta
9
El presente proyecto de grado forma parte de las actividades del proyecto de
investigación denominado: “Análisis del Comportamiento Dinámico de un
Convertidor de Potencia Sometido a Estrategias de Control Conmutado”,
financiado por la VIE-UIS con código 5568.
10
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 18
1. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO ................................................. 21
1.1 PLANTEAMIENTO Y DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .................................. 21
1.2 OBJETIVOS.................................................................................................. 22
1.2.1 Objetivo general ..................................................................................... 22
1.2.2 Objetivos específicos .............................................................................. 22
2. DESCRIPCIÓN Y MODELAMIENTO DEL SISTEMA ..................................... 24
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA .................................................. 24
2.1.1 Dispositivo de sensado ........................................................................... 25
2.1.2 Dispositivo programable ......................................................................... 27
2.1.3 Circuito acoplador................................................................................... 28
2.1.4 Perturbaciones ....................................................................................... 29
2.1.5 Circuito convertidor de potencia ............................................................. 30
2.1.6 Sistema definitivo ................................................................................... 32
2.2 MODELO DEL SISTEMA ............................................................................. 32
2.2.1 Respuesta del sistema en lazo abierto ................................................... 34
3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS CONTROLES EN EL FPGA.......... 38
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL LAZO DE CONTROL ................................ 38
3.1.1 Error ....................................................................................................... 39
3.1.2 Tiempo de muestreo............................................................................... 39
3.1.3 Generador de PWM................................................................................ 40
3.1.4 Controlador ............................................................................................. 40
3.2 CONTROLADORES ..................................................................................... 41
11
3.2.1 Control PID ............................................................................................. 41
3.2.1.1 Cálculo de los parámetros para el controlador PID .......................... 42
3.2.1.2 Implementación del controlador PID en el FPGA ............................. 43
3.2.2 Control Óptimo ....................................................................................... 44
3.2.2.1 Implementación del control óptimo en el FPGA ............................... 45
3.2.3 Control por Modos Deslizantes .............................................................. 48
3.2.3.1 Implementación del control SMC en el FPGA .................................. 48
4. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL DEL SISTEMA
………………………………………………………………………………………...51
4.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL PID IMPLEMENTADO EN FPGA
............................................................................................................................ 51
4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CONTROL ÓPTIMO
IMPLEMENTADO EN EL FPGA ......................................................................... 53
4.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SMC IMPLEMENTADO EN FPGA
............................................................................................................................ 55
5. CONCLUSIONES ........................................................................................... 58
6. OBSERVACIONES ......................................................................................... 60
7. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO .............................................. 61
8. DIFUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................ 61
9. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 62
12
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Diagrama de bloques general para el sistema experimental de
control digital de un circuito convertidor de potencia. ........................................ 25
Figura 2.2. Etapa 1 del circuito de sensado: conexión del divisor de tensión ... 26
Figura 2.3. Etapa 2 del circuito de sensado: conexión del conversor analógico a
digital ................................................................................................................. 26
Figura 2.4. Tarjeta Nexys 3 basada en el FPGA Xilinx Spartan 6 .................... 27
Figura 2.5. Circuito acoplador del sistema ........................................................ 29
Figura 2.6. Tarjeta de perturbaciones en la entrada ......................................... 30
Figura 2.7. Tarjeta de perturbaciones en la carga ............................................ 30
Figura 2.8. Estructura del circuito convertidor Buck implementado .................. 31
Figura 2.9. Prototipo final para pruebas ............................................................ 32
Figura 2.10. Convertidor Buck en el dominio de Laplace .................................. 32
Figura 2.11. Tensión en la carga sin perturbación en lazo abierto: a) forma de
onda completa; b) detalle para observar el valor final en que se establece la
señal .................................................................................................................. 34
Figura 2.12. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga en lazo
abierto ................................................................................................................ 35
Figura 2.13. Tensión en la carga ante perturbaciones en la fuente de tensión de
entrada en lazo abierto ...................................................................................... 35
Figura 2.14. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, obtenidas
experimentalmente en lazo abierto. Disminuyendo (izquierda) y aumentando
(derecha) la carga .............................................................................................. 36
13
Figura 2.15. Tensión en la carga ante perturbaciones en la fuente de
suministro, obtenidas experimentalmente en lazo abierto. Disminuyendo
(izquierda) y aumentando (derecha) el voltaje de entrada ................................. 37
Figura 3.1. Circuito de propósito general del lazo de control en el FPGA ......... 39
Figura 3.2. Generación básica del PWM........................................................... 40
Figura 3.3. Circuito implementado en VHDL para el controlador PID ............... 43
Figura 3.4. Diagrama de flujo del algoritmo implementado de control óptimo... 46
Figura 3.5. Circuito implementado en VHDL para el controlador óptimo .......... 47
Figura 3.6. Diagrama de flujo para el algoritmo de control SMC ....................... 49
Figura 3.7. Circuito implementado para el control por modos deslizantes ........ 50
Figura 4.1. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción
del control PID ................................................................................................... 52
Figura 4.2. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control PID ............................................................................ 52
Figura 4.3. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción
del control óptimo conmutado ............................................................................ 53
Figura 4.4. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control óptimo conmutado ..................................................... 54
Figura 4.5. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción
del control por modos deslizantes ..................................................................... 55
Figura 4.6. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control por modos deslizantes............................................... 56
14
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Características principales de la Tarjeta Nexys 3 ................................. 27
Tabla 2.2. Valores de diseño para el circuito convertidor de potencia ................... 31
Tabla 3.1. Parámetros del controlador PID............................................................ 42
15
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A............................................................................................................... 66
1 ANÁLISIS DEL CIRCUITO CONVERTIDOR DE POTENCIA .......................... 66
1.1 Análisis con interruptor cerrado ................................................................. 66
1.2 Análisis con interruptor abierto .................................................................. 67
2 Diseño del circuito convertidor ......................................................................... 69
2.1 Dimensionamiento de los elementos de circuito ....................................... 69
16
RESUMEN
TÍTULO: CONTROL CONMUTADO BASADO EN FPGA PARA UN CONVERTIDOR DC-DC1.
AUTORES: DAVID FERNANDO JÁCOME MINORTA, LAURA GISELA NAVARRO MINORTA2.
PALABRAS CLAVE: FPGA, Control óptimo, Modo deslizante, Convertidor DC-DC.
DESCRIPCIÓN:
El presente proyecto de grado aborda el diseño y la implementación de estrategias de control en el espacio de estados para gobernar la operabilidad de un circuito convertidor de potencia DC-DC en aplicaciones de baja señal. En particular, se estudia el efecto de la acción de control para afectar el comportamiento dinámico del voltaje regulado aplicado a una carga resistiva en un circuito convertidor de potencia tipo Buck.
Como principales técnicas de control no convencionales se presenta la implementación del control óptimo conmutado basado en reglas Hamiltonianas y el control por modos deslizantes (SMC), comparando su desempeño con el control PID clásico. Las implementaciones de dichas leyes de control se realizan empleando el sistema de desarrollo DIGILENT-NEXYS 3 basado en el FPGA Xilinx Spartan 6.
Una vez implementadas las acciones de control, su desempeño es valorado a partir de un conjunto de pruebas realizadas sobre el circuito convertidor, consistentes en perturbaciones en la carga y en la fuente de suministro del mismo. De los resultados obtenidos se pueden establecer medidas cuantitativas que muestran un desempeño importante de las técnicas de control propuestas respecto al PID clásico. Análisis complementarios de nuevas técnicas de control conmutado, de otras topologías de convertidor de potencia, y el escalamiento de aplicaciones a mayores niveles de potencia con posible impacto en la industria forman parte del trabajo futuro.
1 Trabajo de grado
2 Facultad de ingenierías Físico-mecánicas. Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones.
Director: Ricardo Alzate Castaño, PhD.
17
SUMMARY
TITLE: SWITCHING CONTROL BASED ON FPGA FOR A DC-DC POWER CONVERTER
3.
AUTHORS: DAVID FERNANDO JÁCOME MINORTA, LAURA GISELA NAVARRO MINORTA 4.
KEYWORDS: FPGA, Optimal control, SMC, DC-DC converter.
DESCRIPTION:
This current degree project tackles the design and implementation of control strategies in the space of states to govern the operability of a power converter circuit DC-DC low-signal applications. In particular, we study the effect of the control action to affect the dynamic behavior of regulated voltage applied to a resistive load on a power converter circuit Buck type.
As main unconventional control techniques presents the implementation of optimal commuted control which is based on Hamiltonian rules and sliding mode control (SMC), comparing their performance with classical PID control. The implementations of these control laws are performed using the development system DIGILENT-NEXYS 3 based onFPGA Xilinx Spartan 6.
Once the control actions are implemented, their performance is judged on a set of tests on the converter circuit;those tests are both load and supply source disturbances in the same system (converter circuit). From the results it can be established quantitative measures showing significant performance of the proposed control techniques compared to classical PID. As part of future works, it can be mentioned complementary analyzes of new commuted control techniques, other power converter topologies and the scale up of higher power levels applications with possible impact on the industry.
3 Degree work.
4 Physico-mechanical Engineering Faculty. School of Electrical Engineering. Supervisor: Ricardo Alzate Castaño, PhD.
18
INTRODUCCIÓN
Durante las últimas décadas, los convertidores de potencia han sido estudiados
con el fin de suplir necesidades tanto a nivel residencial como a nivel industrial, ya
que de acuerdo a su topología transforman corriente alterna en directa (AC/DC) o
directa en alterna (DC/AC) y elevan o disminuyen los niveles de tensión [14]. En la
industria electrónica, la administración del consumo energético de dispositivos se
ha convertido en uno de los parámetros determinantes del diseño. De esta
manera, surge una fracción de mercado, conocida como “power management” que
abarca las técnicas y dispositivos para que se haga una entrega eficiente de
energía a las distintas partes de un sistema electrónico. Algunas de las
motivaciones por las que este segmento de mercado sostiene un crecimiento
rápido son: a) los sistemas portátiles y embebidos necesitan prolongar la vida de
sus baterías, y asimismo reducir el consumo total de energía, b) los equipos
electrónicos requieren reducir la disipación de calor para aumentar la estabilidad
del sistema, reduciendo los requerimientos de refrigeración, y c) un constante
interés por reducir el impacto sobre el medio ambiente que conlleva al consumo
inteligente de energía y a la exploración de fuentes alternativas de la misma [2,
20].
La importancia del estudio y el desarrollo de un convertidor de potencia DC-DC se
basa en probar e implementar técnicas de conmutación de bajo costo, mediante
las cuales el sistema tenga un desempeño teóricamente óptimo y con alta
eficiencia. Cabe mencionar, que esta última es una de las cualidades más
apetecidas en estos convertidores y puede ser mejorada mediante el uso de
dispositivos de conmutación, correctamente implementados, que permitan generar
un bajo consumo de potencia. Desarrollos asociados a dichos requerimientos se
hacen mediante plataformas digitales programables como FPGAs, presentando
grandes ventajas tales como rápido tiempo de desarrollo, facilidad de
reconfiguración, ejecución concurrente --que repercute en bajos tiempos de
19
procesamiento-- y uso de lenguajes descriptores de hardware estándar [15, 17, 9,
21].
Actualmente, la tecnología que predomina en los controladores de reguladores de
tensión para dispositivos electrónicos modernos es sin lugar a dudas la analógica.
Sin embargo, se ha venido dando una transición hacia la tecnología digital, lo cual
agrega flexibilidad y mayor funcionalidad. De igual forma, nuevas técnicas de
control basadas en modelos discontinuos, como ZAD (Zero Average Dynamics),
modos deslizantes y control difuso, presentan ventajas en cuanto a desempeño,
respecto a métodos de control clásico, razón que ha generado investigaciones y
desarrollos de nuevas técnicas, como es el caso del esquema de control por
inducción al punto fijo (FPIC), cuyo estudio es reciente [17, 9, 18, 4].
Finalmente, es importante destacar que en Colombia se han realizado diversos
estudios basados en estas nuevas técnicas de control, utilizando dispositivos
programables como FPGA. Dichos estudios se han abordado en trabajos como:
Convertidor Boost en modo de corrección del factor de potencia usando la técnica
ZAD [14]; Control de un conversor de potencia con modulador de ancho de pulso
centrado usando modos deslizantes [15]; Implementación de una nueva técnica de
control digital para convertidores DC-DC Y DC-AC [9]; Análisis de la dinámica de
un convertidor Boost controlado con ZAD [4] e Implementación de una técnica de
conmutación suave a un convertidor tipo Boost monofásico para corregir el factor
de potencia [16], entre otros. Asimismo, se encuentra en ejecución desde marzo
de 2012, un proyecto de investigación en la Universidad Industrial de Santander
titulado "Análisis del comportamiento dinámico de un convertidor de potencia
sometido a estrategias de control conmutado", cuyo objetivo principal es realizar
un análisis comparativo entre las técnicas clásicas de control basados en PWM y
nuevas estrategias de conmutación aplicadas al manipular el comportamiento
dinámico de un circuito convertidor de potencia DC-DC, bajo la acción de
perturbaciones en la carga y/o los puntos de fuente de alimentación, dichas
técnicas de control conmutado serán implementadas en tecnologías de hardware
20
como FPGA y microcontrolador. La metodología para el análisis y el diseño del
circuito convertidor de potencia y las estrategias de conmutación de control
correspondiente incluye: desarrollo y simulación de modelos matemáticos en
MATLAB®, y la representación circuital mediante VHDL y SPICE® herramientas
CAD [1]. Debido a los alcances del proyecto de investigación, varias tareas
específicas están siendo desarrolladas por estudiantes de pregrado como trabajos
de grado, y uno de ellos es el nuestro: “Control conmutado basado en FPGA para
un convertidor DC-DC”, en el que se ha ido trabajando, logrando avances e
importantes aportes para el proyecto de investigación.
21
1. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO
1.1 PLANTEAMIENTO Y DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Los convertidores electrónicos de potencia se han consolidado como un elemento
fundamental en los sistemas eléctricos debido esencialmente a su alta demanda.
En particular, las topologías DC-DC (con entrada y salida de corriente continua)
presentan una amplia gama de uso en tecnologías contemporáneas de
dispositivos electrónicos, por ejemplo en todas aquellas que implican el uso de
baterías. Este tipo de aplicaciones, cada vez más exigen rapidez de respuesta y
estabilidad frente a perturbaciones, además de una alta eficiencia. En algunos
casos prácticos estas características son difíciles de alcanzar como consecuencia
principal de la naturaleza no-lineal que presentan dichos sistemas (convertidores)
ante determinados regímenes de operación.
Debido a esto, el control de convertidores de potencia conmutados se convierte en
un área de investigación muy activa tanto en electrónica de potencia como en
teoría de control automático. Una alternativa aceptada para estudiar este tipo de
fenómenos dinámicos, la constituyen los denominados sistemas híbridos (hybrid
dynamical systems) que modelan el comportamiento dinámico del sistema
mediante discontinuidades seleccionadas a partir de leyes de conmutación
(control conmutado). Como estrategia de control para estos sistemas una solución
válida corresponde a las técnicas en el espacio de estados, que a pesar de
presentar ventajas para implementación computacional requieren de
procedimientos metodológicos que faciliten ejecuciones eficientes de dichas
técnicas (algunas veces de complejidad considerable) sobre dispositivos
dedicados.
Por todo lo anterior, alrededor de esta temática es válido plantearse inquietudes
de investigación como las siguientes: ¿Qué ventajas y/o desventajas presentan
estrategias avanzadas de control respecto a las convencionales, en el
22
comportamiento de circuitos convertidores de potencia? ¿Qué tipo de mejoras en
el desempeño de un convertidor DC-DC implica una técnica de control en el
espacio de estados? ¿Presenta dicha técnica de control suficiente viabilidad para
implementación y ejecución en un FPGA?
El presente proyecto de grado busca realizar aportes y obtener resultados
direccionados a la resolución de estas inquietudes, constituyendo una base para
posteriores desarrollos afines al interior del grupo de investigación CEMOS que
permitan abordar de manera profunda esta temática en el contexto del área
estratégica de Energías de la Universidad Industrial de Santander.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo general
Implementar una estrategia de control en el espacio de estados para un
convertidor DC-DC empleando un FPGA.
1.2.2 Objetivos específicos
Seleccionar e implementar una topología de convertidor DC-DC para
aplicaciones de baja potencia.
Diseñar una estrategia de control en el espacio de estados que permita
mejorar el desempeño del convertidor ante perturbaciones de entrada y/o
de carga.
Implementar la técnica de control diseñada sobre un dispositivo digital de
arquitectura configurable.
23
Desarrollar un procedimiento de prueba para verificar la validez de la
estrategia de control implementada.
24
2. DESCRIPCIÓN Y MODELAMIENTO DEL SISTEMA
En este capítulo se ilustra la implementación circuital del convertidor de potencia
DC-DC tipo Buck, con sus respectivos parámetros de diseño y las demás etapas
de hardware construidas para realizar la verificación experimental de las
predicciones analíticas respecto al comportamiento dinámico del sistema.
Asimismo se describe el funcionamiento y el diseño de cada etapa del prototipo
experimental en forma detallada.
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA
En la Figura 2.1 se muestra el diagrama de bloques general para el sistema
implementado. A partir de este diagrama se configuraron elementos de hardware
como se describe a continuación:
Dispositivo de sensado: también llamado transductor, fue usado un
convertidor analógico a digital, que mide la tensión en una bombilla
halógena de DC como carga del sistema.
Dispositivo programable: como plataforma de programación fue
empleado un FPGA. En este dispositivo se ejecutan los diferentes
algoritmos de control empleados como rutinas para la corrección del error.
Circuito acoplador: dispositivo encargado de convertir la señal obtenida
de la plataforma de programación (PWM) en una señal con los niveles de
tensión y corriente adecuados para el convertidor DC-DC.
Perturbaciones: estas fueron construidas con el fin de alterar el
comportamiento del sistema, y básicamente modifican tanto el valor
nominal de la carga como el valor nominal de la tensión de entrada del
circuito convertidor de potencia DC-DC.
Circuito de potencia: este es un convertidor DC-DC reductor al que se le
van a aplicar diferentes técnicas de control con el fin de que no se altere su
25
comportamiento en la salida ante perturbaciones en la entrada y en la
carga.
Figura 2.1. Diagrama de bloques general para el sistema experimental de control
digital de un circuito convertidor de potencia.
Fuente: Autores
2.1.1 Dispositivo de sensado
El circuito de sensado cuenta con dos etapas: la primera es un amplificador
operacional (TLV2252) conectado como seguidor, con el fin de mantener los
niveles de voltaje obtenidos de un divisor de tensión sencillo usado para adaptar la
salida del circuito convertidor DC-DC, que va de 0 [V] a 20 [V] a la entrada del
conversor analógico digital (ADC0804) que corresponde a la segunda etapa del
sensado, ya que este permite una entrada de 0 [V] a 5 [V]. Es importante
mencionar que una característica crítica para elegir estos dispositivos fue la
frecuencia de trabajo. En las Figuras 2.2 y 2.3 se muestran las conexiones hechas
para la etapa 1 y 2 del circuito de sensado respectivamente.
26
Figura 2.2. Etapa 1 del circuito de sensado: conexión del divisor de tensión.
Fuente: Autores
Figura 2.3. Etapa 2 del circuito de sensado: conexión del conversor analógico a
digital.
Fuente: Autores
R3
3kR4
1k
0
5V
0
U6A
TLV2252/3_1/TI
+3
-2
V+8
V-4
OUT1
Medida 0-20V In ADC
27
2.1.2 Dispositivo programable
Para la implementación y desarrollo de los algoritmos de control fue usado el
sistema de desarrollo DIGILENT-NEXYS 3 basado en el FPGA Xilinx Spartan 6.
En la Figura 2.4 se observa la apariencia física de la tarjeta con principales
características listadas en la Tabla 2.1.
Figura 2.4. Tarjeta Nexys 3 basada en el FPGA Xilinx Spartan 6.
Fuente: www.digilentic.com
Tabla 2.1. Características principales de la Tarjeta Nexys 3.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Xilinx Spartan-6 LX16 FPGA cuenta con un empaquetado BGA de 324-pines
28
16Mbyte RAM (x16)
16Mbytes SPI PCM quad mode
16Mbytes PCM paralelo, memoria no volátil
10/100 Ethernet PHY
Alimentación por USB (también se puede conectar a la toma de energía)
Puerto USB2 en la tarjeta para programar
Puerto USB-UART y USB-HID (para mouse / teclado)
Puerto de 8-bit VGA
Oscilador CMOS de 100MHz
72 E/S dirigidas para conectores de expansión
GPIO incluye 8 LEDs, 6 botones, 8 switches y un visualizador de siete segmentos
de 4 dígitos
Cable USB2 incluido para programación
Fuente: www.digilentic.com
2.1.3 Circuito acoplador
Con la finalidad de aislar la tierra analógica de la tierra digital, se usó un
optoacoplador debido a su interconexión óptica para proteger el dispositivo
programable de picos de tensión o corriente. Se eligió el TLP250 debido a que
29
trabaja a una frecuencia mayor a la que conmuta el convertidor de potencia DC-
DC y además porque es un optoacoplador acondicionador de señal para
compuerta de MOSFETs, el cual permite amplificar la señal de PWM dada por la
plataforma programable a un nivel adecuado para el circuito convertidor. La
configuración usada para esta etapa fue proporcionada por la hoja de datos del
fabricante y es la mostrada en la Figura 2.5.
Figura 2.5. Circuito acoplador del sistema.
Fuente: Autores
2.1.4 Perturbaciones
Se construyeron dos circuitos de perturbaciones: uno para la entrada de tensión al
convertidor DC-DC que consta de un interruptor y una resistencia cerámica de
4.6[Ω] / 5[W] que al ser conectada a la rama de alimentación, causa una caída de
voltaje del 15%. Esta tarjeta se puede observar en la Figura 2.6. El otro
corresponde con un arreglo de interruptores manuales que modifican el valor
nominal de la carga (aumentándola en un 50% y 100% aproximadamente), tras
ubicar bombillas en serie sobre la misma rama del circuito donde se localiza la
carga original, como se muestra en la Figura 2.7.
30
Figura 2.6. Tarjeta de perturbaciones en la entrada.
Fuente: Autores
Figura 2.7. Tarjeta de perturbaciones en la carga.
Fuente: Autores
2.1.5 Circuito convertidor de potencia
Este convertidor DC-DC reductor, mejor conocido como Buck, es un circuito
eléctrico constituido por elementos pasivos que proporciona niveles de tensión DC
en su salida inferiores a la tensión DC aplicada en su entrada, a partir de la acción
controlada de un conmutador electrónico [12, 6]. El circuito implementado posee
31
los valores circuitales incluidos en la Tabla 2.2 y su estructura se puede observar
en la Figura 2.8.
Tabla 2.2. Valores de diseño para el circuito convertidor de potencia.
PARÁMETRO VALOR
Tensión de entrada Vx 20 [V]
Tensión en la carga Vo 8 [V]
Resistencia de carga RL 14.2 [Ω]
Tensión de rizado ∆Vo 0.6% Vo
Frecuencia de conmutación 10 [kHz]
Ciclo útil del PWM 40 [%]
Inductancia L 1.2 [mH]
Capacitor C 470 [µF]
Fuente: Autores
Figura 2.8. Estructura del circuito convertidor Buck implementado.
Fuente: Autores
V1
20Vdc
L1
1.2mH
1 2
D1
8EQ045
C1
470uF
0
PWM
M1
IRF541
R1
14.2
Medida 0-20V
32
2.1.6 Sistema definitivo
Una vez constituidas cada una de las etapas anteriormente descritas, fueron
interconectadas dando como resultado el prototipo mostrado en la Figura 2.9, con
el que se hicieron cada una de las pruebas que serán mostradas posteriormente
en el capítulo 4.
Figura 2.9. Prototipo final para pruebas.
Fuente: Autores
2.2 MODELO DEL SISTEMA
Primero se obtuvo la relación en el dominio de Laplace para la tensión de salida
del circuito convertidor tipo Buck (ver Figura 2.8) respecto a la tensión en el
33
terminal de salida del interruptor, tal y como se ilustra en la Figura 2.10. La función
de transferencia resultante está dada por la ecuación 2.1:
( )
( ) ( )
( )
[ ( )
]
( )
( )
[ ( )
] ( )
Donde ( ) ( ) representa la equivalencia de la tensión a la salida del
interruptor como un porcentaje variable D(s) del voltaje de suministro constante Vs
(ciclo útil, ver ecuación A.11 en el anexo A). Sustituyendo los valores de los
elementos de circuito se obtiene:
( )
( )
[ ] ( )
Figura 2.10. Convertidor Buck en el dominio de Laplace.
Fuente: Tomado de [14]
34
2.2.1 Respuesta del sistema en lazo abierto
El convertidor de potencia de la Figura 2.8 fue implementado y simulado en
ORCAD-CADENCE®. En el circuito se observa la actuación sobre la compuerta
del dispositivo de conmutación, realizada a través de una señal de PWM.
En la Figura 2.11 se visualiza la tensión a la salida del circuito en ausencia de
perturbaciones y se verifica que los niveles de voltaje son cercanos al valor
nominal requerido de 8 [V]. Por otro lado, en la Figura 2.12 se muestra la tensión
en la salida bajo la acción de perturbaciones (valor nominal aumentado 50%
durante 0.3 [s] y 100% durante 0.4 [s]). Asimismo, se observa en la Figura 2.13 la
tensión en la carga, perturbando la fuente de suministro (valor nominal disminuido
15% durante 0.5 [s]).
Figura 2.11. Tensión en la carga sin perturbación en lazo abierto: a) forma de
onda completa; b) detalle para observar el valor final en que se establece la señal.
a)
b)
Time
0s 0.1s 0.2s 0.3s 0.4s 0.5s 0.6s 0.7s 0.8s 0.9s 1.0s
V(R1:1,R1:2) RMS(V(R1:1))
5V
10V
15V
35
Fuente: Autores
Figura 2.12. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga en lazo abierto.
Fuente: Autores
Figura 2.13. Tensión en la carga ante perturbaciones en la fuente de tensión de
entrada en lazo abierto.
Fuente: Autores
Time
0s 0.1s 0.2s 0.3s 0.4s 0.5s 0.6s 0.7s 0.8s 0.9s 1.0s
V(R1:1,R1:2) RMS(V(R1:1))
7.0V
8.0V
9.0V
6.5V
9.5V
36
Empleando el montaje desarrollado se replicaron experimentalmente las pruebas
de simulación, dando como resultado las gráficas visualizadas en las Figuras 2.14
y 2.15 las cuales muestran la tensión en la salida del convertidor ante
perturbaciones en la carga y en la entrada respectivamente.
Figura 2.14. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, obtenidas
experimentalmente en lazo abierto. Disminuyendo (izquierda) y aumentando
(derecha) la carga.
Fuente: Autores
Las gráficas anteriores fueron obtenidas tras aplicar al sistema una serie de
perturbaciones en la carga, aumentando su valor en un 50% y 100% de su valor
original. Como es de esperarse, el valor de la tensión en la salida disminuye
significativamente, alejándose de la referencia que son 8 [V]. Como el sistema
está funcionando en lazo abierto, al recibir las perturbaciones el ciclo útil del PWM
no varía, es decir permanece en el 40%, valor insuficiente para mantener la
tensión de salida en el valor deseado, ya que el circuito demanda más energía y
no tiene forma de producirla.
37
Figura 2.15. Tensión en la carga ante perturbaciones en la fuente de suministro,
obtenidas experimentalmente en lazo abierto. Disminuyendo (izquierda) y
aumentando (derecha) el voltaje de entrada.
Fuente: Autores
De acuerdo a las gráficas obtenidas experimentalmente bajo la acción de
perturbaciones en la fuente de suministro (disminuyéndola en un 15% de su valor
original) se puede observar una disminución considerable en la tensión de salida
del circuito en comparación a la esperada. Debido a la configuración en lazo
abierto del sistema, éste no cuenta con una señal de control que le indique al
generador de PWM variar su ciclo útil, para compensar de esta forma la energía
faltante ante cada perturbación.
A partir de estos resultados experimentales se puede verificar la concordancia
cualitativa entre el comportamiento del sistema simulado y su correspondiente
realización circuital. En particular, es evidente la incapacidad del circuito
convertidor de potencia para mantener los valores de salida cuando se aplican
perturbaciones sobre el mismo.
38
3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS CONTROLES EN EL FPGA
Con el sistema debidamente modelado, construido e instrumentado, se procede
con el diseño y la implementación de los controladores en la plataforma de trabajo
(sistema de desarrollo DIGILENT-NEXYS 3 basado en el FPGA Xilinx Spartan 6),
con el fin de manipular adecuadamente el comportamiento del circuito convertidor
de potencia DC-DC ante perturbaciones en la entrada y en la carga. Inicialmente,
se presentarán los componentes comunes entre los diferentes tipos de controles:
PID y Control Óptimo, ya que estos controlan el ciclo de trabajo de un PWM, de
acuerdo a lo requerido. Asimismo, se presentará el diseño específico del
controlador como tal, además se describirá detalladamente el Control por Modos
Deslizantes que a diferencia de los otros controles no cuenta con un módulo de
generación de modulación por anchos de pulso (PWM). Los desarrollos
presentados en el presente capítulo utilizan como base los resultados presentados
en [8] y [13].
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL LAZO DE CONTROL
Se implementó en el FPGA un circuito de propósito general, con la finalidad de
que sólo el componente “controlador” sea reemplazado por el algoritmo de control
requerido, sin que los otros componentes presenten cambios significativos. En la
Figura 3.1 se observa el circuito de propósito general implementado que consta de
un componente que realiza el cálculo del error, otro componente contador que
genera el período de muestreo, el controlador que es modificado de acuerdo al
algoritmo requerido y por último el generador de PWM que responde a la señal de
control y es la salida hacia la planta.
39
Figura 3.1. Circuito de propósito general del lazo de control en el FPGA.
Fuente: Autores
3.1.1 Error
El bloque “Error” tiene como función leer los datos que vienen del ADC,
correspondientes a la tensión en la salida del circuito convertidor de potencia, y
posteriormente hacer una resta entre esta variable y la referencia, que
corresponde con una constante igual a los 8 [V] deseados en la salida. La señal
que sale de este bloque es la que permite que el “Controlador” actúe y corrija si se
presentan perturbaciones.
3.1.2 Tiempo de muestreo
Este bloque es básicamente un contador de pulsos del reloj interno de la tarjeta
Nexys 3, el cual tiene una frecuencia de 100 [MHz], es decir que su período es de
10 [ns]. El valor final del contador es ajustado dependiendo del tiempo de
muestreo que necesita cada control.
40
3.1.3 Generador de PWM
El generador de PWM posee un divisor de frecuencia que origina 256 pulsos para
el ciclo de trabajo en cada período del PWM. La base de este bloque es una señal
diente de sierra (entre 0 y 255) que es comparada todo el tiempo con la entrada a
este módulo que corresponde con la señal de control. De esta manera se va a
producir un ‘1’ mientras el valor de la señal diente de sierra sea menor a la
entrada, de lo contrario la salida es un ‘0’. Es así como fue generada la señal de
PWM con ciclo útil variable. En la Figura 3.2 se observa el funcionamiento básico
de este bloque.
Figura 3.2. Generación básica del PWM.
Fuente: Autores
3.1.4 Controlador
Bloque que transforma la señal de error en una señal de gobierno o de control, a
través de las reglas matemáticas y las realizaciones lógicas descritas a
continuación en la sección 3.2.
41
3.2 CONTROLADORES
3.2.1 Control PID
Una de las técnicas de control automático más conocidas y utilizadas en la
industria es sin duda el control proporcional-integral-derivativo (PID). En su forma
de diseño de tiempo continuo (diseñado por ejemplo mediante el lugar de las
raíces), se hace necesario obtener una ecuación en diferencias discreta a partir de
la ecuación diferencial continua que define el controlador.
La acción de control PID toma la forma dada por la ecuación (3.1), siendo , y
respectivamente las constantes de ganancia proporcional, integral y derivativa,
al igual que ( ) representa la señal de error [11].
( ) ( ( )
∫ ( )
( )
) ( ) ∫ ( )
( )
( )
La discretización del control consiste en aproximar la ecuación diferencial anterior
obteniendo u(kT) a partir de los valores de e(t) en los periodos de muestreo, es
decir a partir de e(T), e(2T), etc.
La aproximación más fácil de la derivada es:
( )
( ) (( ) )
( )
Mientras que la integral se puede aproximar como:
∫ ( ) ∑ ( )
( )
Para efectos de la implementación digital del controlador, se considera la función
de transferencia equivalente discreta sugerida en [3] (función de transferencia
42
pulso para el controlador PID), dada por la expresión (3.4) donde equivale al
periodo de discretización.
( ) ( )
( ) (
)
(
)
( )
Posterior a efectuar la manipulación matemática de la ecuación (3.4) es posible
obtener la expresión para la ecuación en diferencias que permite relacionar la
secuencia de control como una función de la secuencia de error, tal y como se
observa en la ecuación (3.5).
[ ] [ ] (
) [ ] (
) [ ]
[ ] ( )
3.2.1.1 Cálculo de los parámetros para el controlador PID
Para sintonizar las constantes del controlador se analiza la respuesta del modelo
del circuito dado por la ecuación (2.2) y empleando métodos convencionales de
diseño se determinan los parámetros del controlador PID que permiten corregir la
respuesta del sistema en lazo cerrado. Los valores obtenidos para cada uno de los
parámetros se exponen en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Parámetros del controlador PID.
VALORES PARAMETROS PID
Kp 2.3
Kd 70*103
43
Ki 11*10-3
T 1 [ms]
Fuente: Autores
3.2.1.2 Implementación del controlador PID en el FPGA
Con los resultados obtenidos para las constantes Kp, Ki y Kd, se procede a la
implementación del controlador en VHDL, para ello se hace necesaria la
construcción de tres registros, uno para la salida de la señal de control y otros
para almacenar los valores de los dos errores anteriores, tres multiplicadores para
realizar el producto entre la señal de error y los respectivos coeficientes de la
ecuación en diferencias, y por último dos sumadores que realizan la adición de los
términos de toda la ecuación, como se observa en la Figura 3.3.
Figura 3.3. Circuito implementado en VHDL para el controlador PID.
Fuente: Autores
44
3.2.2 Control Óptimo
El control óptimo tiene como objetivo principal minimizar un funcional de costo J a
partir de la utilización del principio del máximo de Pontryagin [5]. En esencia, el
problema del control óptimo puede enunciarse como la búsqueda para una función
o señal de control u(t) que, perteneciente a un conjunto admisible U que impone
sobre u(t) algunas restricciones, permite minimizar un índice de desempeño o
funcional de costo J, definido a su vez como una función de los estados del
sistema a través de la acción de control. Para el caso de un convertidor Buck
como el analizado se propone minimizar la energía del error según se expresa en
(3.6).
∫ ( ( ) ( )) ( )
Donde,
( ): Valor medido, y ( ): Valor deseado
Desde el punto de vista matemático, existen diferentes maneras de abordar la
solución para un problema de optimización con restricciones. En este proyecto se
propone el método basado en el principio del máximo de Pontryagin [5], el cual
sugiere que minimizar J en (3.6) equivale a maximizar la función Hamiltoniana
dada en (3.7) sujeto a las restricciones impuestas en (3.8),
( ( ) ( )) ( )
( ) ( ) ( )
45
Es importante mencionar que la restricción (3.8) implica un rango de variación
para la señal de control correspondiente al ciclo útil del PWM, aplicada al
dispositivo de conmutación del circuito.
Una revisión más detallada de los fundamentos conceptuales del control óptimo,
así como los desarrollos teóricos requeridos para implementar la técnica en el
sistema analizado, se pueden encontrar en [8].
3.2.2.1 Implementación del control óptimo en el FPGA
El algoritmo implementado para dar solución al problema de control óptimo se
muestra en forma de diagrama de flujo en la Figura 3.4. En el algoritmo, se supone
un valor cualquiera para la señal de control dentro del intervalo de restricción
( ( ) ). Con esta condición de control inicial se determina la respectiva
trayectoria de estado ( ) dentro del intervalo , a partir de lo cual se
calcula un valor del Hamiltoniano al final de dicho período. El valor calculado para
el Hamiltoniano se compara con el correspondiente a un período anterior y si el
valor actual es mayor que el anterior, se incrementa el valor de la señal de control
al interior del conjunto admisible, en caso contrario se disminuye. El anterior
proceso se repite para cada intervalo, determinando numéricamente los valores de
la señal de control ( ) que ajustados a las restricciones, maximizan el valor del
Hamiltoniano ( ) (3.7) y por consiguiente minimizan la función objetivo dada
en (3.6).
46
Figura 3.4. Diagrama de flujo del algoritmo implementado de control óptimo.
Fuente: Autores
Teniendo una idea lógica y clara del algoritmo, se procedió a la implementación en
VHDL del control óptimo que se hizo relativamente sencilla. En la Figura 3.5 se
observa dicha implementación, en la que se eleva el error al cuadrado, obteniendo
47
el Hamiltoniano negativo. Luego se hace una comparación, si el valor actual es
menor que el correspondiente a un ciclo anterior, entonces se incrementa la señal
de control en intervalos de 21 unidades, hasta 182 que es el límite superior, de lo
contrario disminuye en intervalos de 15 unidades, hasta 22 que es el límite inferior.
Estos límites corresponden al ciclo útil del PWM soportados por la planta, tras las
pruebas en lazo abierto. Por otro lado, es importante aclarar que las unidades en
las que se aumenta o disminuye la señal de control no tienen parámetros
establecidos en la teoría, por lo que estos valores fueron encontrados de forma
empírica mediante ensayo y error.
Figura 3.5. Circuito implementado en VHDL para el controlador óptimo.
Fuente: Autores
48
3.2.3 Control por Modos Deslizantes
La técnica de control por modos deslizantes (SMC de su sigla en inglés) constituye
una acción de tipo robusto en el espacio de estados que, fundamentalmente
reduce de un espacio n-dimensional a un caso escalar, el problema de
convergencia asintótica hacia cero del error en el lazo de realimentación del
sistema [19]. En otras palabras, si se define como superficie de deslizamiento s(t)
a la diferencia entre el valor deseado x1d (t) y medido x1 (t) para la tensión en la
resistencia de carga RL del circuito convertidor de potencia DC-DC Buck tal y
como se expresa en (3.9),
( ) ( ) ( ) ( )
es posible forzar la convergencia de la trayectoria en el espacio de estados a caer
en un tiempo finito sobre dicha superficie mediante la acción de control por modos
deslizantes definida en (3.10).
( )
( ( )) ( )
Dicha acción de control garantiza a partir de consideraciones ligadas a la teoría de
estabilidad de Lyapunov [19], que una vez la trayectoria solución en el espacio de
estados alcanza la región deseada (superficie de deslizamiento definida para
todos los puntos x1 (t) y x2 (t) tales que s=0) se mantiene allí en modo invariante y
asintótico, lo cual se asegura manteniendo nula su derivada temporal (es decir
para ds/dt=0). Note que esta acción de control posee dos únicos valores (1 o 0)
dependiendo del signo del error s(t) en (3.9).
3.2.3.1 Implementación del control SMC en el FPGA
En la Figura 3.6 se ilustra el diagrama de flujo para el algoritmo de control SMC
implementado para el convertidor tipo Buck. En el algoritmo se obtiene el signo de
49
s(t), tras hacer la diferencia entre la tensión medida y la referencia que
corresponde a 8 [V]. Luego, según el signo obtenido (-1 o 1), se calcula u(t) que
puede ser 1 o 0, respectivamente. Este ciclo se repite hasta que el sistema repose
sobre la superficie de deslizamiento.
Figura 3.6. Diagrama de flujo para el algoritmo de control SMC.
Fuente: Autores
50
Al tener clara la teoría del control por modos deslizantes y asimismo el algoritmo
lógico para su correcto funcionamiento, se procedió a la implementación del SMC
en VHDL, la cual fue muy sencilla y se ilustra en la Figura 3.7. Esta
implementación cuenta únicamente con un comparador, si la medida es mayor a la
referencia la salida es 0, de lo contrario es 1. Como se mencionó antes, este
control no cuenta con el módulo de PWM, ya que su salida es 0 o 1 dependiendo
de lo que necesite el sistema, generando una secuencia de pulsos arbitraria, sin
ningún patrón establecido, es decir sin un ciclo útil, ni período determinados.
Figura 3.7. Circuito implementado para el control por modos deslizantes.
Fuente: Autores
51
4. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL DEL
SISTEMA
Posterior al diseño e implementación en VHDL de las rutinas de control
analizadas, en el presente capítulo se procede a verificar el comportamiento
experimental del sistema para los casos de lazo cerrado perturbado con acciones
de control: PID, óptimo y SMC. Se presentan los resultados obtenidos para la
tensión de salida del circuito convertidor de potencia tipo Buck, capturados en una
escala de 2[V] por división a 500 [ms]. Como perturbaciones se aumentó el valor
nominal de la carga en un porcentaje de 50% y 100% respectivamente, respecto al
original. También se emplearon reducciones en la fuente de suministro del circuito
correspondientes a un 15% del valor nominal.
4.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL PID IMPLEMENTADO EN FPGA
La Figura 4.1 muestra la operación del sistema controlado mediante PID bajo la
acción de perturbaciones en la carga (valor nominal aumentado un 50% y 100%).
De manera similar la Figura 4.2 presenta los resultados correspondientes bajo
perturbaciones en la fuente de suministro del convertidor (valor nominal disminuido
un 15%).
52
Figura 4.1. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción del
control PID.
Fuente: Autores
Como se observa en la figura el control PID trata de atenuar los cambios en la
tensión de salida ante perturbaciones en la carga, pero su acción no es capaz de
mantener el valor requerido por la referencia que corresponde con 8 [V].
Figura 4.2. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control PID.
Fuente: Autores
53
Lo mismo ocurre en la Figura 4.2, donde el control intenta mantener la referencia
compensando en un corto período de tiempo las pérdidas causadas por las
perturbaciones en la fuente de suministro, pero no es suficiente para obtener una
respuesta adecuada respecto a las condiciones requeridas.
Se hacen notorias además unas pequeñas oscilaciones en la señal medida, que
corresponden a ruido de alta frecuencia, presentes en la respuesta al cerrar el lazo
de control y que son ocasionadas por la naturaleza de conmutación de alta
frecuencia en el circuito. Por otro lado, como el control PID es un sistema lineal, su
desempeño se ve disminuido debido a que el sistema presenta un grado de no
linealidad, razón por la cual se presentan este tipo de variaciones a la salida.
4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CONTROL ÓPTIMO
IMPLEMENTADO EN EL FPGA
Los resultados obtenidos al implementar el control óptimo conmutado ante la
acción de perturbaciones en el convertidor se muestran en las figuras 4.3 y 4.4.
Figura 4.3. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción del
control óptimo conmutado.
Fuente: Autores
54
La Figura 4.3 muestra una mejor atenuación ante la acción de perturbaciones en
la carga, comparada con la Figura 4.1 (acción del PID). Esto se debe a que el
control óptimo presenta una mayor actividad de conmutación durante los cambios
en la tensión de salida respecto a la referencia.
Figura 4.4. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control óptimo conmutado.
Fuente: Autores
Asimismo en la Figura 4.4 se observa una mejor respuesta del sistema ante
perturbaciones en la fuente de suministro, comparada con la obtenida en la Figura
4.2 (control PID), pero alejada aún de los resultados esperados al emplear una
técnica en teoría “optimizada”.
En comparación con los resultados obtenidos para la técnica de control clásica
PID mostrados anteriormente, se observa que la acción de control óptimo presenta
un comportamiento mejorado, pero no tan satisfactorio como se esperaba.
Además se observan unas oscilaciones significativas en presencia de las
perturbaciones, debidas posiblemente a que las constantes de incremento y
decremento usadas en este código aumentan las micro-oscilaciones (Chattering)
55
de la señal de salida, siendo sin embargo (a través de ajustes por ensayo y error)
los mejores resultados obtenidos en la práctica para este tipo de control.
4.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SMC IMPLEMENTADO EN FPGA
De acuerdo a la rutina de trabajo implementada en el FPGA para el control por
modos deslizantes, se obtuvieron los resultados experimentales mostrados en las
Figuras 4.5 y 4.6.
Figura 4.5. Tensión en la salida ante perturbaciones en la carga, bajo la acción del
control por modos deslizantes.
Fuente: Autores
En comparación con el mismo escenario recreado previamente en las Figuras 4.1
y 4.3, se observa que el control por modos deslizantes presenta una respuesta sin
oscilaciones significativas que atenúa el efecto de las perturbaciones aplicadas al
sistema de manera inmediata. Esto se debe a que este control tiene una
característica en particular y es que los cambios en la señal de control se
presentan a la velocidad que el sistema percibe valores diferentes a la referencia
56
en la señal de salida, es decir el SMC no funciona a una frecuencia determinada,
sino a una frecuencia variable dependiendo de la necesidad del sistema.
Figura 4.6. Tensión en la salida ante perturbaciones en la fuente de suministro,
bajo la acción del control por modos deslizantes.
Fuente: Autores
En la Figura 4.6 se observa que el control por modos deslizantes debido a su
robustez y precisión presenta una disminución significativa de ruido en la señal de
salida obtenida al realizar perturbaciones en la fuente de alimentación. Al realizar
una comparación con los resultados obtenidos en la tensión de salida mediante
control PID (Figura 4.2) y control óptimo (Figura 4.4), éstas presentan un ruido
considerable, el cual causa un aumento en el Chatering y una pérdida de la
referencia.
Los resultados a manera de evolución de la tensión de salida en el tiempo,
demuestran la efectividad de la técnica para forzar al sistema a una convergencia
hacia la superficie de deslizamiento ante la acción de perturbaciones, lo que
ratifica la validez del diseño implementado y la robustez de la técnica.
57
A partir de las gráficas anteriores se puede decir que el control por modos
deslizantes tiene un desempeño comparativamente superior al evidenciado por
las otras técnicas implementadas, ya que al someter al sistema a una serie de
perturbaciones, ya sea en la fuente de suministro o en la carga, la tensión de
salida no se ve afectada. Esta diferencia de comportamiento es también percibida
en la práctica cuando se pone en marcha el sistema, tras observar la luminosidad
de la carga (bombilla) al someter el convertidor de potencia a diferentes
perturbaciones.
58
5. CONCLUSIONES
Se seleccionó e implementó a manera de circuito en laboratorio, una
topología de convertidor DC-DC para aplicaciones de baja potencia: un
convertidor DC-DC reductor (tipo Buck) como prototipo de prueba para las
técnicas de control desarrolladas en el FPGA. El prototipo implementado se
mostró en la Figura 2.9, incluyendo el circuito convertidor de potencia, las
etapas para inclusión de perturbaciones y los acoples e interconexiones con
el dispositivo de proceso basado en FPGA.
Se diseñó una estrategia de control en el espacio de estados que permitió
mejorar el desempeño del convertidor ante perturbaciones de carga y/o de
entrada. En particular, se implementaron las técnicas de control óptimo
conmutado y el control por modos deslizantes. Como se observó en las
Figuras 4.5 y 4.6 la técnica de control por modos deslizantes generó un
mejor desempeño que la técnica por control óptimo debido principalmente a
su velocidad de respuesta, capacidad para obtener el valor final deseado y
a una menor incidencia en micro-oscilaciones (ruido) de alta frecuencia.
Se implementó la técnica de control diseñada sobre un dispositivo digital de
arquitectura configurable. En particular, el capítulo 3 ilustró la manera en la
cual se constituyeron bloques funcionales en VHDL para ejecutar los
algoritmos de las diferentes rutinas computacionales que constituyeron la
realización hardware para las leyes de control propuestas.
Se desarrolló un procedimiento de prueba para verificar la validez de la
estrategia de control implementada. Como recurso se empleó una
perturbación en la salida del sistema correspondiente a la ubicación de
cargas en serie y una perturbación en la entrada correspondiente a una
resistencia de atenuación en serie con la fuente de suministro. La sección 2
mostró los circuitos correspondientes. Asimismo en las Figuras 2.12 y 2.13
59
se observó el efecto de perturbaciones en simulación, y en las Figuras 2.14
y 2.15 se obtuvo lo propio para el sistema experimental. Como resultado
importante las Figuras 4.5 y 4.6 permiten verificar la eliminación del efecto
de las perturbaciones en el sistema controlado experimental.
60
6. OBSERVACIONES
Durante el desarrollo del proyecto se presentaron las eventualidades descritas a
continuación:
Al implementar el circuito convertidor DC-DC propuesto en [8], se fundieron
varios bombillos, debido a un pico de corriente en el arranque del sistema
que superaba los 20 [W] de potencia del bombillo halógeno. Tras observar
detenidamente los resultados en simulación, se decidió poner en serie a
éste, una resistencia cerámica de 7 [Ω]/30 [W], para soportar la corriente en
el arranque y obtener un buen funcionamiento del circuito convertidor de
potencia.
De acuerdo al diseño hecho en [8], la frecuencia de trabajo del sistema
debía ser 40 [kHz], pero nuestros dispositivos para la adecuación de las
señales nos limitaban a una frecuencia de 20 [kHz], y se decidió trabajar a
ésta frecuencia sin considerar las implicaciones que esto tendría al
implementar las estrategias de control en el espacio de estados. Al trabajar
de esta forma, la respuesta del sistema era insuficiente y los controles
básicamente no mejoraban los resultados. Después de analizar
detalladamente, se llegó a la conclusión que las técnicas de control
requieren de una frecuencia mínima de trabajo determinada por los
elementos almacenadores de energía del circuito convertidor. Motivo por el
cual se decidió variar los parámetros del circuito, para obtener una
frecuencia más baja, exactamente 10 [kHz]. Estos cambios se describen en
detalle en el Anexo A.
61
7. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO
Como trabajo futuro se propone:
Optimización de los algoritmos de control utilizados para la implementación
para reducir recursos digitales del dispositivo programable FPGA.
Una reducción en el número de fuentes de alimentación usadas en el
prototipo final para pruebas en cada una de las etapas, para mejorar de
esta forma el diseño hecho y la estética del mismo.
Un análisis más profundo acerca de la técnica de control óptimo
conmutado, con el fin de ajustar mejor las constantes de incremento y
decremento de la señal de control, y así obtener unos resultados
comparables con la técnica de control por modos deslizantes
implementada.
Usar ORCAD-CADENCE® como herramienta de simulación mixta o híbrida,
para tener resultados previos a la implementación en la plataforma digital,
ya que con Synplify Pro 9.6.1, se pueden obtener los componentes creados
en VHDL como librerías para simular en ORCAD-CADENCE®.
8. DIFUSIÓN DE RESULTADOS
Resultados del presente trabajo de grado han sido sometidos a consideración del
comité evaluador del Simposio de Tratamiento de Señales, Imágenes y Visión
Artificial: STSIVA 2013.
62
9. BIBLIOGRAFÍA
[1]. ALZATE, Ricardo y BARRERO, Jaime. Análisis del Comportamiento Dinámico
de transformadores de corriente bajo técnicas de control de conmutación.
Proyecto de investigación en ejecución. Universidad Industrial de Santander.
Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones. Disponible en:
<http://wpage.unina.it/r.alzate/research.html> [citado en 10 de agosto de 2012].
[2]. BRUM SARTOR, Santiago, DE CALIMI POMBO, Alejandro y LANCIERI
ALONSO, Damián. Plataforma de experimentación en control digital de
conversores DC-DC. Montevideo, 2010, 68h. Trabajo de grado (Ingeniero
Eléctrico). Universidad de la República. Facultad de Ingeniería. Instituto de
Ingeniería Eléctrica.
[3]. CARLOS ALBERTO REY SOTO, "Análisis de Señales y Sistemas en tiempo
continuo y en tiempo discreto con aplicaciones en MATLAB" En: Venezuela 2006.
Ed: Fondo Editorial UNET ISBN: 980-6300-25-4 v. 1 pags. 561.
[4]. CASANOVA TRUJILLO, Simeon. Análisis de la Dinámica de un Convertidor
Boost Controlado con ZAD. Manizales, 2011, 123 h. Tesis de doctorado (Doctor en
Ingeniería - Automática). Universidad Nacional de Colombia. Facultad de
Ingeniería y Arquitectura. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y
Computación.
[5]. D. G. Luenberger, Introduction to dynamic systems: Theory, Models and
Applications. U.S.A. 1979.
[6]. D. W. Hart, Power Electronics, New York. 2010.
[7]. Fairchield Semiconductor, “Datasheet IRF540N”.
[8]. FUENTES DÍAZ, Lady Gisselieth, TUTIRA CÁCERES, Yuly Karina y
ESTEBAN RÍOS, Pedro Julio. Diseño y simulación de estrategias de control
63
conmutado en convertidores de potencia. Bucaramanga, 2012, 86h. Trabajo de
grado (Ingeniero Electrónico). Universidad Industrial de Santander. Facultad de
Ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de
Telecomunicaciones.
[9]. HOYOS VELASCO, Fredy Edimer, ANGULO GARCIA, Fabiola, TABORDA
GIRALDO, John Alexander y OLIVAR TOST, Gerard. Implementación de una
nueva técnica de control digital para convertidores DC-DC y DC-AC. En: Revista
de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia (Dyna), (Enero
2010); p. 11.
[10]. International Rectifier, “SCHOTTKY RECTIFIER 8EQ045”, pp. 8-11.
[11]. KatsuhikoOgata, Ingeniería de control moderno, quinta edición, ISBN-10:
0136156738.
[12]. M. H. Rashid, Electrónica de Potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones, 2
Ed. México. 1995.
[13]. MORENO CASTELLANOS, Fabio Andrés y CENTENO ARIZA, Diego
Armando. Análisis comparativo del desempeño de técnicas de control conmutado
implementadas en dispositivos programables. Bucaramanga, 2013, 88h. Trabajo
de grado (Ingeniero Electrónico). Universidad Industrial de Santander. Facultad de
Ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de
Telecomunicaciones.
[14]. MUÑÓZ CATAÑO, Juan Guillermo. Convertidor Boost en modo de corrección
del factor de potencia usando la técnica ZAD. Manizales, 2012, 62h. Tesis de
grado (Magister en Automatización Industrial). Universidad Nacional de Colombia.
Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Departamento de Ingeniería Eléctrica,
Electrónica y Computación.
64
[15]. OCAMPO MARTÍNEZ, Carlos Augusto. Control de un conversor de potencia
con modulador de ancho de pulso centrado usando modos deslizantes. Manizales,
2003, 88h. Tesis de grado (Magister en Automatización Industrial). Universidad
Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Departamento de
Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación.
[16]. PRADO FAJARDO, Elcy Patricia. Implementación de una Técnica de
Conmutación Suave a un Convertidor tipo Boost Monofásico para Corregir el
Factor de Potencia. Manizales, 2008, 116 h. Tesis de maestría. Universidad
Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Departamento de
Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación.
[17]. RAMOS, Rafael, ZARAGOSA BERTOMEU, Jordi y MÀNUEL, Antonio.
Lógica difusa: Control difuso mediante una FPGA de Xilinx para convertidores
DC/DC elevadores. En: Revista Española de Electrónica [en línea]. (Junio de
2001). Disponible en: <http://www.redeweb.com/_txt/artikel/8274284.pdf> [citado
en 9 de agosto de 2012].
[18]. ROCHE VACACELA, Ernesto Mesias y TERÁN TORRES, Santiago
Francisco. Diseño y construcción de un conversor DC/DC Boost controlado
mediante lógica difusa. Quito, 2011, 177h. Trabajo de grado (Ingeniero en
Electrónica y Control). Escuela Politécnica Nacional. Facultad de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica.
[19]. V. Utkin, J. Guldner and J. Shi, Sliding Mode Control in Electromechanical
Systems. Taylor & Francis. 2002.
[20]. VALDERRAMA, Freddy Fernando, MORENO, Henry y VEGA, Héctor
Manuel. Análisis, simulación y control de un convertidor de potencia DC-DC tipo
Boost. En: Nuestra Universidad Publicaciones Ingenium [base de datos en línea].
Vol. 24, no. 5 (sep. 2011); p. 12 [citado en 6 de agosto de 2012] Disponible en
Index of /Nuestra_Universidad/Publicaciones/Ingenium.
65
[21]. ZURITA BUSTAMANTE, Eric William. Diseño e implementación de un control
GPI en un FPGA para un convertidor CD-CD tipo reductor. Huajuapan de León,
2011, 187 h. Tesis de maestría (Magister en Electrónica y Computación).
Universidad tecnológica de la Mixteca.
66
ANEXO A
1 ANÁLISIS DEL CIRCUITO CONVERTIDOR DE POTENCIA TIPO BUCK
En la Figura A.1 se observa el esquema del circuito convertidor que se analizará a
continuación.
Figura A.1. Topología del convertidor Buck
Fuente: [8]
1.1 Análisis con Interruptor Cerrado
Cuando el interruptor está cerrado, el diodo se polariza en modo inverso y el
circuito equivalente es el que se muestra en la Figura A.2.
Figura A.2. Circuito equivalente con el interruptor cerrado
Fuente: [8]
67
A partir del circuito, la expresión que representa la tensión en la bobina está dada
por:
( )
Reorganizando la expresión anterior se obtiene:
( )
( ) (
) ( )
1.2 Análisis con Interruptor Abierto
Cuando el interruptor está abierto el diodo se polariza en modo directo para
permitir el paso de la corriente en la bobina. En la Figura A.3 se presenta el
esquema del circuito bajo esta condición de operación.
Figura A.3. Circuito equivalente con el interruptor abierto
Fuente: [8]
68
A partir del circuito la tensión en la bobina está dada por la siguiente expresión:
( )
Reorganizando la expresión se obtiene:
( )
La variación de la corriente en la bobina cuando el interruptor está abierto es:
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
Para que el circuito opere en régimen permanente es necesario que la corriente en
la bobina sea la misma al final y al comienzo de cada ciclo de conmutación, esta
condición obliga a que la variación neta de la corriente de la bobina en un período
sea cero. Para ello se debe cumplir
( ) ( ) ( )
(
) ( ) ( ) ( )
( )
Debido a que el ciclo de trabajo D siempre toma valores menores o iguales a 1 la
expresión anterior ratifica que el convertidor Buck produce una salida menor o
igual a la entrada.
69
2 DISEÑO DEL CIRCUITO CONVERTIDOR
Es importante destacar que el diseño del circuito convertidor está basado en el
trabajo presentado en [8], pero con algunas modificaciones en los parámetros de
diseño y asimismo en los valores de los componentes del circuito, debido a que se
tiene más facilidad de acceso a ellos al cambiarlos. Por tanto, tomando en
consideración aspectos de viabilidad práctica se concebirá un sistema alimentado
a 30 [VDC], con salida regulada para alimentar el consumo de bombillas
halógenas de 20 [W]. Con base en lo anterior, se consideran los siguientes
requerimientos de diseño:
Tabla A.1. Requerimientos de diseño
Tensión de alimentación (VS) 20 [V]
Tensión de salida (V0) 8 [V]
Resistencia de carga (RL) 14.2 [Ω]
Tensión de rizo (∆V0) 0.6% de V0
Frecuencia de conmutación (F) 10 [kHz]
Fuente: Autores
2.1 Dimensionamiento de los elementos de circuito
El diseño requiere que la carga disponga de 8 [V] de tensión para una
fuente de alimentación de 20 [V] de tensión continua. A partir de esta
condición se obtiene un ciclo útil de trabajo D dado por:
70
[ ]
[ ] ( )
Para el dimensionamiento de la bobina es necesario seleccionar una
frecuencia de conmutación apropiada para los componentes que se
comportan como interruptores. Para este caso se seleccionó una frecuencia
de conmutación de 10 [kHz]. Además, para dimensionar el valor de la
resistencia de carga se seleccionaron bombillas halógenas de 12 [V] a 20
[W] y en serie con estas una resistencia cerámica de 7 [Ω] a 30 [W], con la
finalidad de soportar un pico de corriente en el arranque del sistema, visto
en simulación. Asimismo, para garantizar que el circuito opere con corriente
permanente se debe cumplir que el valor de la bobina esté por encima del
valor mínimo obtenido a partir de la siguiente ecuación:
( )
( )
Tomando como base los requerimientos de diseño de la Tabla A.1, el valor mínimo
para la bobina es de 400 [µH]. Además para cumplir con el propósito de garantizar
que el circuito operará siempre con corriente permanente, el valor de la
inductancia se ha seleccionado de 1.2 [mH].
Cabe resaltar que el valor mínimo para la bobina se obtuvo asumiendo que la
carga (bombilla halógena y resistencia cerámica) tendrá como valor máximo 20[Ω],
que sería un 40% mayor al valor esperado teóricamente.
Para la elección del dispositivo de conmutación se tuvieron en cuenta los
valores de frecuencia nominal, las velocidades de respuesta y los niveles
de corriente en el circuito. Se seleccionó el transistor IRF540N MOS NPN
de la casa fabricante Fairchild Semiconductor (ver Tabla A.2).
71
Tabla A.2. Características eléctricas dela transistor de potencia.
Referencia VDSS [V] RDS(ON) [Ω] ID [A] VGS [V] Frecuencia
[MHz]
IRF540N
100 0.044 33 20 1
Fuente: [7]
Para el caso del diodo de libre marcha encargado de la recirculación de la
corriente cuando el transistor esté en corte, se seleccionó la referencia
8EQ045 de la casa fabricante International Rectifier IRF (ver Tabla A.3).
Tabla A.3. Características del diodo de libre marcha
Referencia VR [V] IF(AV) [A] IFSM [A] Frecuencia
[MHz]
8EQ045 45 10 80 1
Fuente: [10]
Por último el valor del capacitor se obtiene a partir de la expresión:
( )
( )
Obteniendo así un condensador con valor comercial de 470 [µF].
